Utilizing Cellulose Nanofibrils in the Assembly of Sustainable and Scalable Energy Storage Materials
Tid: Fr 2022-02-11 kl 14.00
Plats: F3, Lindstedtsvägen 26 & 28, Stockholm
Videolänk: https://kth-se.zoom.us/j/62734854149
Språk: Engelska
Ämnesområde: Fiber- och polymervetenskap
Respondent: Hugo Francon , Fiberteknologi, Fibre Technology
Opponent: Professor Jodie Lutkenhaus, Texas A&M University
Handledare: Professor Lars Wågberg, Fiberteknologi, VinnExcellens Centrum BiMaC Innovation, Pappers- och massateknik, Fiber- och polymerteknologi, Wallenberg Wood Science Center, Mekanik, Linné Flow Center, FLOW, Teoretisk kemi och biologi, Fiberteknologi, Wallenberg Wood Science Center
QC 2022-01-18
Abstract
En effektiv energilagring är avgörande för att skapa en hållbar framtid och för att minska förbrukningen av fossila bränslen och därmed skadliga koldioxidutsläpp. Det finns dock stora oklarheter kring den storskaliga produktionen av energilagringsenheter beträffande kostnader, koldioxidavtryck och hållbarhet. Utvinningen av råvaror till dessa energilagringskomponenter är särskilt problematisk eftersom den är känd för sina höga miljökostnader. Det finns därför ett stort behov av att utveckla mer ekologiskt hållbara material som kan användas i moderna energilagringsenheter. Cellulosa, en biopolymer som vanligtvis utvinns från växter, är ett mångsidigt material som finns i stora mängder och är känt för storskalig användning i tex massa och papperstillverkning. På grund av sin kemiska mångsidighet kan cellulosan kombineras med en mängd olika material, av vilka några har väckt intresse för att tillverka mera hållbara energilagringsmaterial. Ett av dessa material är Cellulosananofibriller (CNF) som utvinns ifrån delignifierade cellulosafibrer och det utgör ett biobaserat nanomaterial som kombinerar utmärkta mekaniska egenskaper med en bred kemisk funktionalitet. Olika typer av CNF-baserade råvaror har tillverkats och idag finns ett stort utbud av material som visar ett brett spektrum av storlekar (från nano- till makroskala), strukturer och fysikalisk-kemiska egenskaper.
Det arbete som sammanfattas i denna avhandling har varit fokuserat på att utvärdera användningen av CNF vid framställning av mera hållbara energilagringsmaterial, med en vidare inriktning på uppskalningsbara processer. För det första syftar arbetet till att förbättra utvecklingen av lågdensitetsmaterial (även kallade aerogeler), som kan användas i tex pseudokondensator och batterielektroder. Initialt framställdes CNF-aerogeler med hjälp av en ny frysbindningsmetod (Artikel I). Detta förbättrades sedan ytterligare med genom att tillsätta komplexbildande biopolymerer (artikel II) varefter materialen kombinerades med ledande material (konjugerade polymerer) för att kunna användas som energilagringsmaterial (Artiklarna I och II). Därefter användes CNF vid tillverkningen av anodmaterial för Li-jon-batterier. Dessa visade sig vara särskilt effektiva när de framställdes med hjälp av biobaserade bindemedel som resulterade i elektrokemiskt och mekaniskt överlägsna elektroder (Artikel III), som dessutom möjliggjorde framställningen av fristående och återvinningsbara grafitanoder (Artikel IV).